Технический прогресс и экономика (стр. 2 )

Таким образом, на основе рассматриваемых соединений могут быть изготовлены полупроводниковые материалы с ZT, существенно превышающим единицу.

На рис. 2 представлены термоэлементы с 3 - 4 - 5 каскадными ветвями.

Следует отметить, что 3-х каскадный термоэлемент уже реализован на практике, а для изготовления 4 - 5 каскадных термоэлементов еще предстоит работа по созданию антидиффузионных барьеров и технологии компактирования ветвей. В тоже время в результате этой работы возможно получение КПД 25 - 26 %, что вплотную приблизит термоэлектрический метод получения электричества к машинному и позволит приступить к созданию на его основе более эффективных термоэлектрических источников питания для электрореактивных двигателей космических аппаратов.

  ,

Вышеизложенное направление работ по повышению КПД термоэлектрических бортовых источников электропитания космических аппаратов было рассмотрено на совместном заседании двух Научных советов РАН: «Методы прямого преобразования видов энергии» и «Теплофизика и энергетика» (24 июня 2010 г.) и получило поддержку и одобрение чл. корр. РАН и академика РАН .

В последнее время появились сообщения об использовании электрореактивных ионных двигателей для космического аппарата с беспрецедентно низкой высотой рабочей орбиты (порядка 255 км). [8] Компенсация сопротивления атмосферы осуществляется за счет постоянно работающего ионного двигателя с регулируемой тягой. Это позволяет говорить о значительном расширении области применения электрореактивных двигателей космических аппаратов, т. е. об их использовании даже в ближнем космосе, что открывает дополнительные перспективы перед термоэлектри-ческими бортовыми источниками электропитания.

Литература

1. Термоэлектричество и термоэмиссия в космических ядерных энергетических установках прямого преобразования. Современное состояние и перспективы. ГНЦ РФ-ФЭИ, Международная конференция «Ядерная энергетика в космосе – 2005», Сб. докладов, М. 2005.

2. , , О возможности повышения эффективности термоэлектрического генератора космической двухрежимной ядерно-энергетической установки. Известия РАН, Энергетика, ISSN 002 - 3310, № 1, 2009.

3. вигатель для межпланетного корабля, Российский космос, № 1 (37), 2009, с. 52 - 55.

4. и др. Термоэлектрические генераторы. М., Атомиздат, 1971, с.181.

5. К оптимизации р-ветви среднетемпературного термоэлектрического модуля. Сб. докладов, ХI Межгосударственный семинар, ФТИ им. , ноябрь 2008, с. 356 - 362.

6. , , Получение и исследование свойств сплавов на основе SmS. Неорганические материалы, т. 13, № 6, 1977, с. 978-981.

7. , Доклад на совместном заседании Научного совета РАН по комплексной проблеме «Методы прямого преобразования видов энергии» и Научного совета РАН «Теплофизика и энергетика», 24 июня 2010 г., г. Москва.

8. GOCE: долгожданный геоид получен, Новости космонавтики, № 5, 2011, с. 58 - 59.

_________?_________

НАДЕЖНОСТЬ ТЕРМОЭЛЕКТР ИЧЕСКОГО КОНДИЦИОНЕРА

, ,  ,  -Ивановский

, (к. ф-м. н.)

НПП "Квант"

•

Технические решения для обеспечения надежности кондиционера

Кондиционер ТККМ-4,0 Т110 предназначен для поддержания комфортных условий по температуре и влажности в кабине машиниста подвижного состава. Надежность термоэлектрического кондиционера определяется надежностью входящих в его состав управляющих приборов, термоэлектрических преобразователей, вентиляторов и элементов конструкции. Наиболее  уязвимой  частью являются  термоэлектрические  элементы (модули),  обеспечивающие  охлаждение.  Выход  их  из  строя  возможен  из-за воздействия электрохимической  эрозии,  разрушения термоэлектрических  ветвей  вследствие каких-либо механических воздействий, обрыва токовыводов,  закорачивания модулей  на  корпус кондиционера и т. д.  В  результате таких отказов возможен либо обрыв электрической цепи модуля,  либо  прохождение тока,  минуя  этот  модуль.  Используемые модули  обладают  высокой  надежностью, однако, в связи с заявленным  сроком  службы кондиционера,  сопоставимым  со сроком службы подвижного состава, необходимо учитывать возможность таких отказов.

С целью повышения надежности  кондиционера  используется  параллельно-пос-ледовательная схема соединения  модулей [1],  когда они включаются параллельно и образуют звено, а звенья включаются последовательно, что исключает разрыв электрической цепи кондиционера при отказе отдельных модулей.  При разрушении какого-либо модуля, или же обрыва его токовывода,  происходит  перераспределение тока на остающиеся работоспособные модули, включенные в параллель с вышедшими из строя. В случае одиночных отказов такого рода в разных  звеньях перераспределение тока в модулях, оставшихся работоспособными,  незначительно, и термоэлектрический кондиционер сохраняет свою работоспособность.

Наиболее серьезный случай,  когда  выходят из строя несколько  модулей какого-либо одного звена, следует рассмотреть отдельно, хотя вероятность реализации такого события мала.  В этом случае ток,  перераспределившийся на работоспособные модули звена,  увеличивается  скачками  по  мере  выхода  из строя очередного модуля  и, в конечном  счете,  может  превысить допустимые величины,  что приведет к отказу всего кондиционера  в  целом.  Скачки  тока обусловлены  увеличением  напряжения  на  звене из-за увеличения его сопротивления по мере выхода из строя модулей.

Закорачивание двух токовыводов модуля в звене также приводит к скачку напряжения на остальных звеньях,  так как ток в этом случае идет мимо закороченного звена.

С целью повышения надежности,  нами  были выбраны соответствующая конст-рукция кондиционера,  схема  соединения  термоэлектрических  элементов  (модулей), а также режим их работы.

В блоке кондиционера содержится 96 термоэлектрических элементов (модулей) типа  ТМ127-2,0-15,0. Внутреннее сопротивление модулей составляет 0,8 Ом; бортовое напряжение, питающее кондиционер, равно 110 В. Модули контактируют  своими  теплообменными  площадками с основаниями горячих и холодных радиаторов. Выде-ляющееся тепло, снимаемое горячими радиаторами, выносится с помощью вентиля-торов наружу, а холод, снимаемый холодными радиаторами, с помощью вентиляторов поступает в кабину машиниста.

Горячий радиатор состоит из восьми секций,  изолированных  друг от друга и от несущей рамы. На каждую секцию горячего радиатора приходится двенадцать термоэлектрических модулей. Количество холодных радиаторов в блоке кондиционера ? сорок восемь,  каждый холодный радиатор объединяет два модуля, а на одну секцию горячего радиатора приходятся шесть холодных. Холодные радиаторы также изолированы от горячих радиаторов и от несущей  рамы. Термоэлектрические модули соединены  параллельно по четыре, образуя звено, а звенья,  в количестве двадцати четырех, соединены последовательно.

Все электрические соединения,  токовые выводы модулей,  силовые провода расположены со стороны холодных радиаторов.  Изоляция радиаторов препятствует закорачиванию токовыводов на металлические части конструкции (например, на основания радиаторов) и, тем самым, снижает вероятность отказов по этим причинам. 

Кроме того, согласно  предложенной схеме соединения модулей кондиционера,  реализуется  режим его работы с максимальным холодильным коэффициентом  к [2, 3] (к = Q/W, где Q – холодопроизводительность кондиционера, W – затраченная мощность). Такой режим работы характеризуется достаточно высокой холодопроиз-водительностью при минимальной затраченной мощности. Так, если  в режиме максимальной холодопроизводительности  номинальный ток через модуль должен составлять 15 А,  то  в данной конструкции,  в  которой реализуется режим максималь-ного холодильного коэффициента, ток через модуль составляет 4,1 А, т. е. значительно меньше номинального. Это обусловлено необходимостью получения достаточной  холодопроизводительности (не менее 2200 Вт) при ограниченном потреблении модулями  мощности (менее 1800 Вт). Такой режим, помимо минимального потребления энергии, позволяет  сохранить работоспособность  кондиционера  в случае выхода из строя одного,  двух или даже трех из четырех модулей в звене. Так, при выходе из строя одного модуля  ток на остающихся в звене  модулях  возрастает с 4,1 А до 5,41 А;  при  выходе из  строя  двух модулей  ток  увеличивается  до 7,84 А,  а при  выходе из строя трех модулей в звене ток через оставшийся работоспособный  модуль  достигает  14,0 А,  что  соответствует  рекомендуемому току в режиме максимальной холодопроизводительности. Переход от режима максимального холодильного коэффициента к режиму максимальной холодопроизводительности работоспособного модуля при таких отказах в эвене приводит лишь к небольшому снижению общей холодопроизводительности звена вследствие увеличения нагрузки на работоспособные модули.

В табл. 1 представлены величины напряжений и токов  на модулях  в звене из четырех модулей типа ТМ127-2,0-15,0 для случаев, как со всеми работающими модулями звена, так и при выходе из строя одного, двух или трех модулей в одном звене.

  Таблица 1

Кол-во отказов в звене, N	Напряжение на звене, U, B	Рабочий ток модуля в звене I, А	Отношение тока к номинальному I / Iном	Холодопроизводительность кондиционера Q, Вт
0	4,5	4,1	0,27	2200
1	5,8	5,4	0,36	2196
2	8,8	7,8	0,52	2115
3	16,2	14,0	0,93	2002

В случае закорачивания  двух  токовыводов  модуля  на основании какого-либо радиатора  выводятся из  работы и оставшиеся  три  модуля  звена, так как ток будет идти минуя их. В этом случае скачок напряжения на остающихся модулях и его влияние на работоспособность кондиционера незначительны.  В  случае закорачивания модулей секции таким  образом, что выводятся из работы все модули секции (в количестве двенадцати), то и в этом  случае  напряжение  на  остающихся  модулях  возрастает  с  4,1 А  до 4,68 А,  что  также не приводит к выходу из строя  всего кондиционера  в целом.